Propriedades Elétricas. Condutores

Transcrição

1 Propriedades Elétricas Condutores

2 Condutores - 0 K Nivel de Fermi Estados vazios Estados preenchidos Mar (Gás) de Fermi Bandas cheias e gaps (abaixo)

3 Condutividade Elétrica em CONDUTORES (Metais) Metais: n n n e n onde n n é o número de elétrons livres por unidade de volume Densidade de portadores n n Muito alta! Mobilidade dos elétrons Baixa Espalhamento (choque) dos elétrons Mobilidade dos elétrons Condutividade elétrica Fontes de espalhamento: - defeitos da rede: impurezas, intersticiais, composição; - vibrações térmicas (fônons); - deformação plástica (discordâncias).

4 Movimento de elétrons

5 Resistividade Elétrica em Metais = 1/ Regra de Matthiessen : total i d T Contribuições T térmica (fônons) i impurezas (ligas e intersticiais) d deformação (discordâncias)

6 Influência da Temperatura - T T 0(1 at) 0 e a constantes específicas de cada metal

7 ( 0 C i 0 Influência de Impurezas - i Solução Sólida C i - concentração da impureza em sol. sólidas; A - constante i A. Ci.(1 Ci ) Composição % at. Au % at. Cu Fases consideradas como impurezas s e V s - resistividades e frações volumétricas das fases e

8 Influência de Deformação - d Presença de discordâncias Aumento em total Independente da temperatura

9 Resistividade Elétrica (10-8.m) Resistividade elétrica em cobre; ligas de cobre (impureza) e o efeito da deformação total i d T T 0(1 at) Temperatura ( C)

10 Resistividade Elétrica (10-8.m) Resistividade elétrica de liga cobre e níquel, em função da quantidade de Ni Composição (% em peso de Ni) i A. Ci.(1 Ci )

11 Resistividade Elétrica (10-8.m) Problema (callister) Usando a Figura da resistividade de ligas de Cu-Ni (a) Determine os valore de 0 e a da eq. T 0(1 at) Para o cobre puro. Admita que a temperatura em Celsius. (b) Determine o valor de A na eq. i A. Ci.(1 Ci ) para o níquel como uma impureza no cobre. (c) Usando os dados das partes (a) e (b) estime a resistividade elétrica para o cobre com 1,75% at de Ni a 100 C. Temperatura ( C)

12 Tabela 19.1 (Callister) Condutividades Elétricas à Temperatura Ambiente para Nove Metais e Ligas Comuns Prata Cobre Ouro Alumínio Ferro Latão (70 Cu 30 Zn) Platina Aço comum Aço Inoxidável Condutividade Elétrica [(.m) -1 ]

13 Resistividade e Coeficiente de Temperatura em 20 o C t 0(1 at)

14 Aplicações Termopares Efeito Hall sensor Hall

15 Termopares - Funcionamento Metal 1 Junção Metal 2 T quente cromel T ref cobre alumel cobre Efeito Seebeck; Efeito termoelétrico S é o coeficiente termodinâmico de Seebeck; o valor da força eletro motriz E depende da natureza dos materiais By Nanite - Own work, CC0,

16 Termopares - Tipos Temperatura T ( C) By Nanite - Own work, CC0,

17 Termopares Limitações de uso: - Temperatura, ponto de fusão, oxidação

18 Efeito Hall Condutores

19 Corrente (i) + Campo Magnético (B) O que é? z y x F m F m qv B A separação das cargas na lateral produzirá um campo elétrico (uma força entre elas F e ) e consequentemente uma voltagem mensurável entre os dois lados do condutor (reação ao campo magnético). Esta voltagem mensurável é chamada de Efeito Hall, descoberta por Edwin H. Hall em 1879.

20 Balanço de Forças A força magnética sobre as cargas provoca a separação destas estabelecendo uma corrente perpendicular a direção de propagação da corrente inicial. Esta corrente cessará quando o balanço de cargas, positivas e negativas crie uma força elétrica que anule a força magnética sobre as cargas. F e F m ou qe qv B

21 Efeito Hall - video _jltfc8

22 Voltagem (tensão) Hall - V H Seja: c = espessura do condutor A = a área da seção transversal do condutor n = densidade de portadores (no./vol.) F e qe F m Fe F m V q c nqv c qvb nqvb qvb V E c c nqv c I B A V V H IBc nqa

23 O que se pode determinar medindo a tensão Hall? V H IBc nqa IB nql Em metais a condução é feita por elétrons: n IB V e L H e n e Medindo-se V H e pode-se obter n e e, ou seja, a densidade de portadores e a mobilidade destes.

24 Sensor Hall B nv H e L I

25 Ciência e Engenharia de Materiais. Uma Introdução Callister, 5ª. edição Capítulo 19 Problemas: 19.1 a Em especial: 19.13, 19.14, 19.16, 19.18

26 Exercícios sobre efeito Hall 1) O campo elétrico que impele a corrente é E, o campo elétrico devido ao efeito Hall é E H, o campo de indução é B. O número de portadores de carga por unidade de volume é n, a resistividade do material é. Fazer um esquema dos campos e demonstrar que E H /E=B/ne. 2) Considere a deposição de uma camada de 1 m de espessura de ouro sobre um substrato isolante que é candidato a um sensor Hall. Se a corrente através da película é mantida constante em 100 ma, qual seria o campo magnético necessário aplicado por tensão de Hall (em micro-volt)?

27 Exercícios sobre efeito Hall 3) Em um experimento do efeito Hall, uma corrente de 3,2 A é aplicada a um condutor ao longo de seu comprimento que tem 1,2 cm de largura, 4 cm de comprimento e 9,5 m de espessura. A voltagem Hall produzida é de 40 V para um campo aplicado de 1,4 T que esta perpendicular a este fino condutor. A partir destes dados encontre: a) A velocidade de arraste dos portadores de carga b) A densidade de portadores de carga c) Mostre em um diagrama a polaridade da voltagem Hall com uma dada corrente aplicada e campo magnético, assumindo que a os portadores têm cargas negativas (elétrons).

28 Exercícios sobre efeito Hall - continuação 4) Uma fita de metal de 6,5 cm de comprimento, 0,88 cm de largura e 0,76 mm de espessura se move com velocidade constante v em um campo magnético aplicado perpendicular á fita com intensidade de 1,2 mt, como mostrado na Figura a seguir. A diferença de potencial de 3,9 V é medida entre os pontos x e y através da fita. Calcule a velocidade v.